Введение к работе
Диссертационная работа посвящена решению фундаментальных проблем солнечной и солнечно-земной физики: исследованию изменений солнечной активности на длительных - от сотен до нескольких тысяч лет - временных шкалах, изучению их возможного воздействия на климат Земли и физического механизма этой взаимосвязи, выявлению основных закономерностей, лежащих в основе временной эволюции активности Солнца.
Изучение временных вариаций солнечной активности представляет значительный интерес не только с точки зрения физики Солнца. Современная гелиогеофизика рассматривает активность Солнца как один из ведущих факторов, воздействующих на состояние околоземного пространства и, возможно, глобальные и локальные климатические колебания. Исследование земных проявлений долговременной эволюции магнитного поля Солнца активно развивается в последнее время благодаря своей практической актуальности. Уже накоплено немало достаточно убедительных свидетельств реальности влияния как кратковременных (не более нескольких суток), так и долгопериодных (десятки-сотни лет и более) вариаций солнечной активности (СА) на соответствующие изменения глобального и регионального климата Земли. Однако, неоспоримых доказательств существования солнечно-климатической связи (СКС) до сих пор не получено, так что дискуссия по данной проблеме продолжается. Кроме того, физический механизм, обеспечивающий СКС, также пока не выяснен. Можно лишь отметить, что всё большее число исследователей склоняется к мнению, что главную роль в обеспечении связи СА с климатом играют потоки космических энергичных частиц, эффективно модулируемых Солнцем. Для получения исчерпывающего ответа на указанные вопросы требуется совместное изучение колебаний различных параметров СА и климата на различных временных шкалах: от нескольких дней до сотен лет и более.
Экспериментальные измерения физических параметров активности Солнца, земного климата и различных космофизических факторов охватывают, в основном, не более нескольких десятков последних лет. В то же время, данные солнечной палеоастрофизики и палеоклиматологии способны заметно расширить наши знания. Обе эти научные дисциплины, активно развивающиеся в последние годы, дают возможность реконструировать временной ход различных параметров климата и активности Солнца на временных шкалах до нескольких тысяч лет и более. Анализ большого объёма информации, накопленного современными палеоастрофизикой и палеоклиматологией, и стал основным предметом исследования в данной диссертационной работе наряду с изучением прямых инструментальных данных. Следует отметить, что анализ подобных палеоданных зачастую требует применения специальных неординарных математических и статистических подходов, разработка и тестирование которых также стали одной из задач настоящей диссертации.
Актуальность темы исследований.
Воздействие СА на климат Земли представляется весьма вероятным, а на целый ряд процессов в околоземном пространстве - уже доказанным. Не вызывает сомнений влияние активности Солнца на так называемую космическую погоду. Этот термин, появившийся недавно, описывает физическое состояние околоземного пространства (высокие слои атмосферы, магнитосфера) в определённый момент или промежуток времени характеризуемое совокупностью гелиогеофизических параметров (интенсивность электромагнитных излучений и потоков солнечных космических лучей (СКЛ), степень ионизации, температура, скорость и плотность частиц солнечного ветра, интенсивность флуктуации геомагнитного поля). Космическая погода, в свою очередь, способна значимо влиять на многие аспекты жизни современного человечества. Действительно, потоки высокоэнергичных частиц, образующихся во время мощных солнечных вспышек и корональных выбросов массы, могут нарушать радиосвязь, затруднять радионавигацию и повреждать оборудование спутников. Эти потоки могут представлять опасность для здоровья космонавтов и даже пассажиров самолётов.
Очевидно, что долговременное прогнозирование уровня активности Солнца и выявление долговременных тенденций космической погоды, определяющих космический климат, представляет собой задачи большой практической важности. Надёжный и точный долговременный прогноз возможен при наличии необходимой информации о колебаниях СА на длительных временных шкалах. Однако инструментальные данные о солнечной активности имеются только для последних 3-4 веков, а удовлетворительные данные о геомагнитной активности - всего лишь для последних 150 лет. Для того, чтобы восполнить знания о прошлом СА, приходится использовать методы солнечной палеоастрофизики - науки, имеющей целью реконструировать значения основных солнечных и космофизических параметров в прошлом, главным образом, на основе данных по концентрации космогенных изотопов и нитратов в земных архивах и данных исторических хроник. Можно отметить с другой стороны, что многие из естественных архивов палеоастрофизической информации (кольца деревьев, полярные льды) подвержены значительному воздействию климатических факторов. Это делает необходимым вовлечение климатических данных в процесс реконструкции солнечной активности в прошлом. Однако наши знания о прошлом климата Земли также весьма скудны и неточны. Действительно, инструментальные измерения температуры охватывают не более 100-150 последних лет и покрывают сравнительно небольшую (<20 %) часть земной поверхности. Знания о прошлом климата нашей планеты предоставляет палеоклиматология. Эта отрасль науки, интенсивно развивающаяся в последние годы, нацелена на восстановление временного хода температуры различных регионов Земли при помощи косвенных источников информации: колец деревьев, пыльцы растений, содержания стабильных изотопов во льдах и кораллах. Помимо палеоастрофизического приложения, актуальность палеоклиматических исследований самих по себе также весьма значительна. Действительно, влияние изменений земного климата практически на все аспекты социальной и экономической активности человечества очевидно, а в свете глобального потепления последних 100 лет этот вопрос приобретает особую остроту. Однако целый ряд ключевых вопросов климатологии до сих пор остается не выясненным. Является ли потепление последнего столетия действительно глобальным? Возникает ли оно только вследствие парникового эффекта, вызванного антропогенной активностью, или обусловлено также и рядом природных факторов - трендами СА и вариациями космофизических параметров? Какова роль региональных антропогенных изменений -урбанизации и землепользования? Могут ли давать вклад в глобальное потепление естественные климатические колебания? Ответы на эти вопросы должны помочь при выработке качественного прогноза изменений климата на ближайшие десятилетия и, следовательно, важны для всей современной цивилизации. Как и для СА, получение надёжного прогноза требует сведений о длительных изменениях земного климата в прошлом и их причинах, понимания физических процессов, происходящих в климатообразующей системе под действием факторов земного и солнечно-космического характера.
В диссертации проведено совместное изучение эволюции активности Солнца, климата Земли, различных космофизических факторов на длительных временных масштабах. Оно стало возможным благодаря развитию подходов палеоастрофизики и палеоклиматологии, получению новых экспериментальных данных, систематизации огромного количества накопленной информации, а также разработке и применению современных математических методов. Это -фактически новое направление, которое значительно расширяет перспективы решения обозначенных выше задач. Сведения о временном ходе активности Солнца и земного климата на длительных - до нескольких столетий и более - временных шкалах, основных причинах их колебаний и возможной взаимосвязи, физических механизмах лежащих в основе солнечно-климатических связей, необходимы для разработки долговременных (на десятки лет и более) и надёжных (с указанием вероятных пределов изменений параметров) солнечных и климатических прогнозов. Последние же, как представляется, чрезвычайно важны для выработки стратегии развития всего человечества в будущем и, следовательно, имеют огромную практическую ценность. Главным образом это и определяет актуальность диссертационной работы.
Цели работы
Как уже было отмечено, основным направлением, развиваемым в работе, является совместное изучение долговременной эволюции солнечной активности и климата Земли на основе подходов палеоастрофизики и палеоклиматологии. В свете этого основные цели диссертационной работы формулируются следующим образом:
- Разработка подходов и методик статистического анализа, имеющихся в распоряжении
современной науки палеорядов.
Систематизация накопленной палеоклиматической и палеоастрофизической информации.
Реконструкция временного хода СА на длительных (тысяча лет и более) временных шкалах.
Оценка качества и надёжности имеющихся солнечных палеореконструкций и выяснение точности заключённой в них информации.
Количественный и качественный анализ временной эволюции СА и климата Земли на длительных временных шкалах, выяснение наличия связей между двумя этими процессами и её характера.
Прояснение физического механизма, способного передавать солнечное воздействие на земной климат.
Выработка сценария (прогноза) изменений активности Солнца и глобального климата Земли на ближайшие десятилетия.
Разработка стратегии дальнейшего развития затронутых в работе научных направлений.
Таким образом, проведённая работа была нацелена на рассмотрение ряда важных вопросов солнечной, солнечно-земной физики и космофизики в свете полученных в последнее время палеоданных, охватывающих промежутки времени длиною до нескольких тысяч лет и позволяющих исследовать интересующие нас процессы на недоступных ранее длительных временных масштабах. Исследование производилось с использованием современных математических методов, в том числе их статистических приложений, разработанных в данной диссертации.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Верификация и тестирование качества имеющихся палеореконструкций солнечной активности произведены с помощью разработанной оригинальной методики, основанной на исследовании точности предсказания временного хода реальных (инструментально наблюдённых) чисел солнечных пятен, производящегося с использованием тестируемого ряда в качестве источника информации. Подобные оценки принципиально важны для выработки стратегии извлечения наиболее надёжной информации из имеющихся солнечных реконструкций и её дальнейшей систематизации.
-
Числа солнечных пятен восстановлены на промежутке времени, охватывающем более 10 000 последних лет. Эта реконструкция, произведенная с использованием данных о концентрации радиоуглерода С в кольцах деревьев при помощи современных палеоастрофизических методов, является одной из наиболее продолжительных среди имеющихся на сегодняшний день, и уже была использована для изучения наиболее длительных циклов солнечной активности и выработки сценария ее развития (п.7)..
-
Обнаружена квазистолетняя - с типичными временами от 60 до 130 лет - вариация в температуре Северного полушария Земли отчётливо выраженная на протяжении не менее 1000 последних лет и способная давать заметный (до 0.2 Си более) вклад в потепление первой половины XX века. Показано, что данный ритм обладает бимодальной частотной структурой, включая в себя 60-85 летнюю и 100-130 летнюю периодичности. Наличие аналогичной бимодальной структуры у квазистолетнего солнечного цикла Глайссберга подтверждено на основе обширного палеоастрофизического материала. Причиной такого «детального» сходства
квазипериодической структуры вариаций может служить связь Солнце-климат на вековой шкале времени.
4. На основе совместного анализа палеоастрофизической и палеоклиматической
информации установлено, что эффект усиления слоев сульфатного аэрозоля в стратосфере
после мощных солнечных протонных событий, несколько раз экспериментально
регистрировавшийся в последние 25 лет, неоднократно имел место и в доинструментальную
эпоху, начиная, по крайней мере, с 1789 года. Это доказывает реальность данного эффекта и
позволяет расширить временной интервал изучения влияния вспышечной активности Солнца
на атмосферу Земли, почти на порядок - до более 200 лет.-
5. Обнаружена квазипятилетняя вариация концентрации нитратов (ионов NO3 ) во льду
центральной Гренландии. Показано, что данная периодичность, отчётливо выраженная с
середины XIX века, связана с тем, что пиковые выбросы концентрации нитратов происходят
главным образом на фазах подъёма и спада 11-летнего цикла солнечной активности. Поскольку
космогенные резкие увеличения концентрации ионов N03~ в полярных льдах вызваны
солнечными протонными событиями, обнаруженный эффект доказывает существование связи
экстремальной вспышечной активности Солнца с периодами роста и спада 11-летнего цикла на
протяжении более 150 последних лет.
6. Впервые предложена физически обоснованная интерпретация широко
обсуждающегося явления: - парадоксальной связи между долговременными вариациями
активности Солнца и приземной температуры, при которой температурный цикл на Земле
опережает солнечный на 15-20 лет (см. Friis-Christensen and Lassen, 1991). Показано, что этот
трудно объяснимый фазовый сдвиг, может возникать вследствие влияния на климат Земли
квазистолетней вариации аэрозольной прозрачности стратосферы, вызванной
соответствующими колебаниями потоков энергичных космических частиц солнечной и
галактической природы. Оценки отклика климата Земли на долговременные изменения
стратосферной прозрачности, произведённые с помощью одномерной энергобалансовой
климатической модели, подтверждают физическую значимость данного эффекта в
наблюдаемом явлении.
-
На основе анализа палеоастрофизической информации об активности Солнца на протяжении более 10 000 последних лет с использованием современных математических методов предложен сценарий эволюции среднего уровня СА в первой половине текущего столетия. Показано, что с точки зрения солнечной палеоастрофизики средний уровень СА в первой половине XXI века должен быть ниже, чем во второй половине XX века, с вероятностью 0.999. Таким образом, наступающий 24-й солнечный цикл ожидается средним по величине: относительное число пятен в максимуме достигнет 70-100 единиц. Вероятность мощного цикла (с максимальным числом Вольфа более 160 единиц), предсказываемого некоторыми авторами с помощью коротких по времени инструментальных рядов, оказывается равной менее 0.02.
-
Проведено исследование относительного вклада различных - природно-земных, космофизических, солнечных - климатообразующих факторов в глобальное потепление последних 100 лет. Показано, что точно оценить, вклад какого-либо из указанных факторов, включая эмиссию парниковых газов, изменения СА и космического климата, локальное антропогенное воздействие, земные климатические циклы, на сегодняшний день - вследствие недостаточности данных и имеющихся между ними неустранимых противоречий -не представляется возможным. Анализ всей совокупности полученных к настоящему моменту палеоданных позволил, однако, заключить, что если глобальное потепление вызвано влиянием природных (земных, солнечных, космофизических) причин, то средняя температура Северного полушария Земли в первой половине XXI века должна быть ниже, чем во второй половине XX века с вероятностью более 0.75.
Научная новизна работы
Научная новизна проведённой работы состоит в следующем:
Разработана оригинальная методика оценки значимости деталей глобального вэйвлетного спектра Морле, позволяющая судить о достоверности результатов статистического анализа квазипериодических рядов, с которыми мы и имеем дело в гелио- и геофизике.
Разработана методика проверки качества реконструкций СА в доинструментальную эпоху.
Обнаружен квазистолетний ритм в климате Северного полушария Земли, имеющий, как и солнечный цикл Глайссберга, бимодальную частотную структуру.
Впервые продемонстрирована конструктивная возможность осуществления долговременного (на несколько десятилетий вперёд) и одновременно достаточно надёжного солнечного прогноза. Это стало возможным благодаря использованию данных современной солнечной палеоастрофизики и применению новых методов прогнозирования.
Получен ряд других выводов, имеющих отношение к солнечной и солнечно-земной физике, а также и к климатологии.
Практическое значение работы
Практическое значение диссертационной работы состоит в том, что:
Разработанная методика оценки значимости деталей глобального вэйвлетного спектра Морле может быть использована при анализе сигналов в широком спектре научных дисциплин, включая геофизику, климатологию, технику и т.д.
Полученная реконструкция активности Солнца на протяжении последних более 10 000 лет может быть использована как в солнечной физике (для изучения поведения различных циклов СА, для прогнозирования активности Солнца в будущем), так и в гелиогеофизике (для изучения климатических, геомагнитных и многих других аспектов солнечно-земных связей).
Разработанная четырёхрезервуарная энергобалансовая модель климата Земли, учитывающая вклад космофизических факторов, может быть использована как отправной пункт в дальнейшем изучении основных закономерностей эволюции климата и физических процессов, лежащих в её основе.
Полученные в работе результаты, убедительно доказывают значительную научную ценность палеоастрофизики и палеоклиматологии, перспективность их совместного использования и необходимость активного развития обеих научных дисциплин.
Исследования, представленные в диссертации, выполнены в ФТИ им. А.Ф. Иоффе в 1994-2007 гг.: в Лаборатории Ядерной космической физики (до 2004 г.), ив Лаборатории Космических лучей (после 2004 г.). Ряд совместных работ выполнен с коллегами из Университета Хельсинки, Университета Йоенсуу, ГАО РАН, ИСЗФ СО РАН, ИТПМ Казахстана.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы, включая подходы, методы и модели, были представлены на целом ряде международных и всероссийских научных конференций. Среди них:
- 16th International Radiocarbon Conference (Groningen, Netherland, 1997).
International Workshop «News and views in physics and paleoastrophysics» (Helsinki-St. Petersburg, 1997).
Международная конференция «Современные проблемы солнечной цикличности» (Санкт-
Петербург, Пулково, 1997).
- Международная конференция «Крупномасштабная структура солнечной активности:
достижения и перспективы» (Санкт-Петербург, Пулково, 1999).
- 26th International Cosmic Ray Conference (Salt Lake City, USA, 1999).
Международная конференция «Солнце в эпоху смены знака магнитного поля» (Санкт-Петербург, Пулково, 2001).
Climate change and variability in northern Europe, climate change symposium (Turku, Finland, 2002).
Международная конференция «Солнечная активность и космические лучи после смены знака магнитного поля» (Санкт-Петербург, Пулково, 2002)
International worrkshop «Cosmogenic climate forcing factors during the last millennium (Kaunas, Lithuania, 2003).
Международная конференция «Климатические и экологические аспекты солнечной активности» (Санкт-Петербург, Пулково, 2003)
Всероссийской конференции «Актуальные проблемы физики солнечной и звёздной активности» (Нижний Новгород, 2003).
IAU Symposium № 223. Multi-Wavelength Investigations of Solar Activity (St. Petersburg, 2004).
First International Symposium on Space Climate: Direct and Indirect Observations of Long-Term Solar activity (Oulu, Finland, 2004).
- Международная конференция «Солнечная активность как фактор космической погоды»
(Санкт-Петербург, Пулково, 2005).
Международная конференция «Квазипериодические процессы на Солнце и их геоэффективные проявления» (Санкт-Петербург, Пулково, 2006).
- International heliophysical year: new insights into solar-terrestrial physics (IHY2007-NISTP)
(Zvenigorod, 2007).
Международная конференция «Физическая природа солнечной активности и прогнозирование её геофизических проявлений». (Санкт-Петербург, Пулково, 2007).
7th International Conference "Problems of geocosmos" (St. Petersburg, 2008).
Различные аспекты работы были поддержаны 14-ю отечественными и международными грантами: программой российско-финского межакадемического обмена (проект №16), грантом ИНТАС 2001-00550, грантами РФФИ 99-02-18398-а, 03-02-17505, 04-02-17560, 03-04-48769, 06-02-16268, 07-02-00379, 09-02-00083, программами Президиума РАН «Нестационарные явления в астрономии» и «Солнечная активность и физические процессы в системе Солнце-Земля», грантами Санкт-Петербургского научного центра за 2006-2008 годы.
Результаты, полученные в работе, входили в списки «Важнейших достижений в области астрономии» Научного совета по астрономии ОФН РАН (2004) и междисциплинарного научного совета «Солнце-Земля» РАН (2008).
Личный вклад соискателя и публикации по теме диссертации
По теме диссертации опубликовано 70 работ, из них 31 в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК для публикации результатов докторской диссертации. Без соавторов написано 10 статей. В совместных исследованиях автору принадлежит, главным образом, постановка задач, разработка методов анализа данных, интерпретация результатов.
Структура и объём
Работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 723 наименования, и шести приложений. Полный объём диссертации 292 страницы, включая 125 рисунков и 26 таблиц.
